1、第二十章 蛋白质和核酸一、计划课时数 6 课时二、学习要求:1 掌握 -氨基酸的结构、两性、等电点、主要化学性质及制法。2 了解肽的命名、结构和多肽结构的测定方法。3 掌握蛋白质的性质,了解蛋白质复杂结构及在构成生命体上的作用。4 了解酶的组成及酶催化反应的特异性。5 了解核酸(RNA 和 DNA)的组成、结构及核酸的生物功能。蛋白质和核酸都是天然高分子化合物,是生命物质的基础。我们知道,生命活动的基本特征就是蛋白质的不断自我更新。蛋白质是一切活细胞的组织物质,也是酶、抗体和许多激素中的主要物质。所有蛋白质都是 -由氨基酸构成的,因此,- 由氨基酸是建筑蛋白质的砖石。要讨论蛋白质的结构和性质,
2、首先要研究 - 由氨基酸的化学。第一节 氨基酸一、氨基酸的结构、命名和分类组成蛋白质的氨基酸(天然产氨基酸)都是 -氨基酸,即在 - 碳原子上有一个氨基,可用下式表示:天然产的各种不同的 -由氨基酸只 R 不同而已。氨基酸目前已知的已超过 100 种以上,但在生物体内作为合成蛋白质的原料只有二十种(见 P616 表 20-1) 。1分类: 按烃基类型可分为脂肪族氨基酸,芳香族氨基酸,含杂环氨基酸。按分子中氨基和羧基的数目分为中性氨基酸,酸性氨基酸,碱性氨基酸。2命名: 多按其来源或性质而命名。国际上有通用的符号(见 P616 表 20-1) 。二、氨基酸的构型用 D/ L 体系表示在费歇尔投影
3、式中氨基位于横键右边的为 D 型,位于左边的为L 型。例如:D-氨基酸 L-氨基酸天然氨基酸(出甘氨酸外)其他所有 -碳原子都是手性的,都有旋光性,而且发现主要是 L 型的(也有 D 型的,但很少) 。三、氨基酸的性质RCNH2HCOHHCNH2COHR CHCOHRNH21氨基酸的酸-碱性氨基酸分子中的氨基是碱性的,而羧基是酸性的,因而氨基酸既能与酸反应,也能与碱反应,是一个两性化合物。(1)两性氨基酸在一般情况下不是以游离的羧基或氨基存在的,而是两性电离,在固态或水溶液中形成内盐。(2)等电点在氨基酸水溶液中加入酸或碱,至使羧基和氨基的离子化程度相等(即氨基酸分子所带电荷呈中性处于等电状态
4、)时溶液的 pH 值称为氨基酸的等电点。常以 pI 表示。RCHCOHN2 RCHCON2RCHCOHN3 OHHRCHCOHNH2 RCHCONH3RCHCOHNH3RCHCONH3RCHCONH2RCHCOHNH2OHHOHH溶液 pH等电点 等电点(pI) 溶液 pHpH7pH7 CNCCHHNC6H5 ORS +b 羧肽酶水解法在羧肽酶催化下,多肽链中只有 C 端的氨基酸能逐个断裂下来。 4肽链的选择性断裂及鉴定上述测定多肽结构顺序的方法,对于分子量大的多肽是不适用的。对于大分子量多肽顺序的测定,是将其多肽用不同的蛋白酶进行部分水解,使之生成二肽、三肽等碎片,再用端基分析法分析个碎片的
5、结构,最后将各碎片在排列顺序上比较并合并,即可推出多肽中氨基酸的顺序。部分水解法常用的蛋白酶有:胰蛋白酶只水解羰基属于赖氨酸、精氨酸的肽键。糜蛋白酶水解羰基属于苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸的肽键。溴化氰只能断裂羰基属于蛋氨酸的肽键。例 1:催产素的(一个八肽)结构分析。P 623625 。例 2:某八肽完全水解后,经分析氨基酸的组成为:丙、亮、赖、苯丙、脯、丝、酪、缬。端基分析:N-端 丙 亮 C-端。胰蛋白酶催化水解:分离得到酪氨酸,一种三肽和一种四肽。用 Edman 降解分别测定三肽、四肽的顺序,结果为:丙-脯- 苯丙;赖-丝-缬-亮。由上述信息得知,八肽的顺序为: F.Sanger 及其他工
6、作者花了约 10 年时间于 1953 年(35 岁)首先测定出牛胰岛素的氨基酸顺序,由此 Sanger 获得了 1958 年(41 岁)的诺贝尔化学奖。此后,有几百种多肽和蛋白质的氨基酸顺序被测定出来,其中包括含 333 个氨基酸单位的甘油醛-3-磷酸酯脱氢酶。以后 F.Sanger 又测定了 DNA 核苷酸顺序,因而他第二次(1980 年 62 岁)获得了诺贝尔奖(同美国人伯格、 吉尔伯特共享) 。两次获得诺贝尔奖的化学家是很少见的,所以说,F.Sanger 是一个伟大的化学家。三、多肽的合成要使各种氨基酸按一定的顺序连接起来形成多肽是一向十分复杂的化学工程,需要解决许多难题,最主要的是要解
7、决四大问题。1保护-NH 2 或-COOH氨基酸是多官能团化合物,在按要求形成肽键时,必须将两个官能团中的一个保护起来,留下一个去进行指定的反应,才能达到合成的目的。对保护基的要求是:易引入,之后又易除去。我们把保护-NH 2 称为代帽子,保护羧基称为穿靴子。2活化反应基团(活化-NH 2 或-COOH)通常是保护-NH 2 及-OH 、-SH 等,活化-COOH(具体方法-略)3生物活性合成多肽必须保证氨基酸的排列顺序与天然多肽相同,并与天然多肽不论在物理、化学性质和生物活力各方面都一样,才具有意义。我国 1965 年 6 月发表合成成功牛胰岛素的文章,生物活性 1.270%西德7 月羊,0
8、.510%美国 1967 年发表文章 (胰岛素合成方法的改进)前苏联 1972 年发表文章 (胰岛素合成方法的改进)胰岛素是一种激素,可用于治疗糖尿病,但只能用和人体结构相近的胰岛素,如猪胰岛素,其它的则不起疗效。几种哺乳动物胰岛素的氨基酸顺序的差异A 链 B 链8 9 10 30人 苏 丝 异亮 苏猪 丙牛 丙 缬 马 甘 羊 第三节 蛋 白 质分子量在 1000 以上,构型复杂的多肽称为蛋白质一、蛋白质的分类1 根据蛋白质的形状分为:(1)纤维蛋白质 如丝蛋白、角蛋白等;(2)球状蛋白质 如蛋清蛋白、酪蛋白、血红蛋白、-球代表蛋白(感冒抗体)等。2根据组成分:(1) 单纯蛋白质其水解最终产
9、物是 - 氨基酸。(2) 结合蛋白质- 氨基酸 + 非蛋白质(辅基)辅基为糖时称为糖蛋白;辅基为核酸时称为核蛋白;辅基为血红素时称为血红素蛋白等。3 根据蛋白质的功能分;(1) 活性蛋白 按生理作用不同又可分为;酶、激素、抗体、收缩蛋白、运输蛋白等。(2)非活性蛋白 担任生物的保护或支持作用的蛋白,但本身不具有生物活性的物质。例如:贮存蛋白(清蛋白、酪蛋白等) ,结构蛋白(角蛋白、弹性蛋白胶原等)等等。二 蛋白质的结构各种蛋白质的特定结构,决定了各种蛋白质的特定生理功能。蛋白质种类繁多,结构极其复杂。通过长期研究确定,蛋白质的结构可分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。1蛋白质的一级结构
10、由各氨基酸按一定的排列顺序结合而形成的多肽链(50 个以上氨基酸)称为蛋白质的一级结构。对某一蛋白质,若结构顺序发生改变,则可引起疾病或死亡。例如,血红蛋白是由两条 -肽链(各为 141 肽)和两条 - 肽链(各为 146 肽)四条肽链(共 574 肽)组成的。在 链,N-6 为谷氨酸,若换为缬氨酸,则造成红血球附聚,即由球状变成镰刀状,若得了这种病(镰刀形贫血症)不到十年就会死亡。2蛋白质的二级结构多肽链中互相靠近的氨基酸通过氢键的作用而形成的多肽在空间排列(构象)称为蛋白质的二级结构。蛋白质的二级结构主要有三中形式;1-螺旋右螺旋 P 629。 2-折叠和 -转角 P 630。 肽链的构象
11、(二级结构)见 P631 图 20-7 3无规则卷曲没有确定规律性。 3蛋白质的三级结构由蛋白质的二级结构在空间盘绕、折叠、卷曲而形成的更为复杂的空间构象称为蛋白质的三级结构。维持三级结构的作用力有:共价键(-S-S-) 静电键(盐键) 氢键 憎水基(烃基等) 形成三级结构后,亲水基团在结构外,憎水基团在结构内,故球状蛋白溶于水。4蛋白质的四级结构由一条或几条多肽链构成蛋白质的最小单位称为蛋白质亚基,由几个亚基借助各种副键的作用而构成的一定空间结构称为蛋白质的四级结构。三、蛋白质的性质1两性及等电点多肽链中有游离的氨基和羧基等酸碱基团,具有两性。2胶体性质与沉淀作用蛋白质是大分子化合物,分子颗
12、粒的直径在胶粒幅度之内(0.10.001)呈胶体性质。蛋白质颗粒表面都带电荷,在酸性溶液中带正电荷,在碱性溶液中带负电荷,达到帮助带PCONH2 HOHPCONH3 PCOHNH3HOHP = Protin pH pHpIpHpI有同性电荷就于周围电性相反的的离子构成稳定的双电层。由于同性电荷相斥,颗粒互相隔绝而不粘合,形成稳定的胶体体系。蛋白质与水形成的亲水胶体,也和其它胶体一样不是十分稳定,在各种因素的影响之下,蛋白质容易析出沉淀。(1)可逆沉淀(盐析)(2)不可逆沉淀蛋白质与重金属盐作用,或在蛋白质溶液中加入有机溶剂(如丙酮、乙醇等)则发生不可逆沉淀。如 70-75%的酒精可破坏细菌的水
13、化膜,是细菌发生沉淀和变性,从而起到消毒的作用。3蛋白质的变性作用蛋白质在一定条件下,共价键不变,但构象发生变化而丧失生物活性的过程成为蛋白质的变性作用。变性条件: 物理因素: 干燥、加热、高压、振荡或搅拌、紫外线、X 射线、超声等等。化学因素: 强酸、强碱、尿素、重金属盐、生物碱试剂(三氯乙酸、乙醇等等) 。变性后的特点: 丧失生物活性 H2O 溶解度降低 易被水解(对水解酶的抵抗力减弱) 。变性作用的利用: 消毒、杀菌、点豆腐等; 排毒(重金属盐中毒的急救) ; 肿瘤的治疗(放疗杀死癌细胞) ;变性作用的防治: 种子的贮存; 人体衰老(缓慢变性) ; 防止紫外光灼伤皮肤。4蛋白质的颜色反应
14、(1)缩二脲反应 蛋白质与新配置的碱性硫酸铜溶液反应,呈紫色,称为缩二脲反应。(2)蛋白黄反应 蛋白质中含有苯环的氨基酸,遇浓硝酸发生硝化反应而生成黄色硝基化合物的反应称为蛋白黄反应。(3)米勒反应 蛋白质中酪氨酸的酚基遇到硝酸汞的硝酸溶液(4)茚三酮反应 蛋白质与稀的茚三酮溶液共热,即呈现蓝色。第四节 酶酶是一种有生物活性的蛋白质,是生物体内的催化剂,是生命活动的基础,哪里有生命现象,哪里就有酶的活动。绿色植物和某些细菌能够利用太阳能,通过光合作用,二氧化碳和少量的硝酸盐、磷酸盐等极简单的原料合成复杂的有机物质,都是靠酶的催化所完成。所以说,酶在复杂的生物合成中的作用是无法用其它方法替代的。
15、一、酶的组成辅酶的种类颇多,按其化学组成可分两类:1无机的金属元素,如铜、锌、锰。2相对分子质量低的有机物,如血红素、叶绿素、肌醇、烟酰胺、维生素B1、B 2、B 6、B 12 等等。医疗上口服或注射维生素,就是给人体补充辅酶,以提高肌体内某些酶的活性,调节代谢,而达到治疗和增进健康的目的。酶蛋白可以是一条肽链,或多条肽链组成的。但所有的酶都是球状结构的。二、酶催化反应的特异性1催化效率高(比一般催化剂高 1081010 倍) 。2选择性强(1)化学选择性能从混合物中挑选特殊的作用物。例如,麦芽糖酶只能使 -葡 +萄糖苷键断裂,而不能使 -葡萄糖苷键断裂。(2) 立化学选择性 辨别对映体,酵母
16、中的酶只能使天然 D 型糖发酵,而不能使相应的 L 型糖发酵。4 反应条件温和一般是在常温常压和 pH 7 左右进行的。人体内如果缺少某种酶,就会引起疾病或死亡。例如,胆碱酯酶的作用是水解乙酰胆碱,有机磷农药中毒就是破坏了动物体内的胆碱酯酶,使之不能水解体内有毒的乙酰胆碱,致使中毒而亡。又如,小孩缺乏半乳糖酶时,就不能吃奶(因不能分解半乳糖)一吃就吐。再如,苯丙氨酸与酪氨酸在羟化酶的作用下达成转化平衡,若此平衡被破坏,则酪氨酸缺乏,酪氨酸缺乏则不能产生黑色素称为白化病。三、酶的分类和命名1分类按催化反应的类型,可把酶分为六大类:(1) 氧化还原酶(2) 转移酶(3) 水解酶(4) 裂解酶(5)
17、 异构酶(6) 连接酶(合成酶)2酶的命名 (略)第五节 核 酸 核酸是控制生物遗传和支配蛋白质合成的模型。没有核酸,就没有蛋白质。因此,核酸是最根本的生命的物质基础。对核酸的研究是现代科学研究领域最吸引人的课题。一、核酸的组成核酸和蛋白质一样,是由许多核苷酸结合而成的高分子化合物。核苷酸是由磷酸、核糖、及碱基组成的。1 核糖和 2-脱氧核糖 HCHOHHOHCH2OHHHHCHOHHOHCH2OHHHOCH2HHOHHHOHOCH2HHOHHOHOHD 2D2碱基核苷酸中的碱基主要有五种,都是嘧啶或嘌呤的衍生物。它们是:胞嘧啶,脲嘧啶,胸腺嘧啶,腺嘌呤,鸟嘌呤。其结构式见 P639:C U
18、T A G3核苷核苷是核糖的 -苷羟基与碱基氮原子上的氢脱水而形成的苷,根据核糖的不同,核苷有两类:(1)核苷(由 RNA 水解而得)OCH2HHOHHOHOH OCH2HHOHHOHBB =UACG UACG 详细结构见 P640 图 20-14。(2) 2-脱氧核苷(由 DAN 水解而得)详细结构见 P640 图 20-15。4核苷酸 核糖 C5 上的羟基与磷酸酯化便得到核苷酸。2OCH2HHOHHOH OCH2HHOHHBB =TACG dT 2dAdCdG 222OCH2HOHHHBOPOHOHOOCH2HOHHOHBOPOHOHORNA DNA二、核酸的结构核酸是核苷酸单体中核糖的
19、3位羟基和 5位上的磷酸基酯化而成的高分子化合物。核酸和蛋白质一样,也有单体排列顺序和空间关系问题,因此,核酸也有一级结构、二级结构和三级结构的问题。1核酸一级结构核苷酸的顺序组成了核酸的一级结构。RNA 中的多核苷酸链如下图:CH2 HHOHOCH2 HHOHOCH2 HHOHOCH2 HHOHOOPOOHOPOOOHOPOOHOPOOOHNNNNNH2NNNH2O NHNNNONH2NHNOO53ACGURNA 或 DNA 中的多核苷酸链,都按上图方式表示,显然太繁复了,所以现在都用简化了的示意法来表示。如上图可简化如下:其中 R1、R 2、R 3、R 4 表示碱基,P 表示磷酸基,一竖表
20、示糖分子,2、3、5表示糖中 C 原子编号。还可以进一步简化成 PA-C-G-UP。RNA 与 DNA 的区别:PPOHPOHPOHPOHACGU532 53 PPHPHPHPH532 53R1R2R3R4RNA DNA 核糖RNA 中为核糖,DNA 中为 2-脱氧核糖。碱基RNA 中为 A、U、C、G ; DNA 中为 A、T、C、G。2核酸的二级结构DNA 的二级结构为右手双股螺旋结构。见 P645 图 20-18两条螺旋链以相反的走向,通过一条链的碱基和另一条链的碱基配对(以氢键结合)交织起来形成相当稳定的构象(双螺旋结构) 。象螺旋式的梯子。碱基配对只能是 A 与 T(RNA 中是 A
21、 与 U)配对,G 与 C 配对。原因是:(1)只有当一个嘌呤环和一个嘧啶环成对排列时,碱基的连接才吻合。(2)只有腺嘌呤与胸腺嘧啶成对,鸟嘌呤与胞嘧啶成对才能吻合。RNA 的二级结构的规律性不如 DNA。有些 RNA 的多核苷酸链,可以形成螺旋结构,其二级结构是和 DNA 相似的双螺旋。但多数 RNA 的分子是由一条弯曲的多核苷酸链所构成,其中有间隔着的双股螺旋与单股非螺旋体结构部分。见 P645 图 20-203核酸的三级结构 35 35ACTG(1.nm)(1.06nm)核酸的三级结构是在二级结构的基础上进一步紧缩、扭曲成闭链状环或开链状环以及麻花状的一定空间关系的结构。见 P646 图
22、 20-22三、核酸的生物功能核酸在生物的遗传变异、生长发育及蛋白质的合成中起着重要作用。DNA遗传基因,转录副本,将遗传信息传到子代。是蛋白质合成的模板。RNA决定蛋白质的生物合成(合成蛋白质的工厂)根据在蛋白质合成中所起的作用,RNA 分为三类:1信使核酸(mRNA)传递 DNA 的遗传信息,合成模板。2核糖体核酸(rRNA)合成蛋白质的场所。3转移核糖核酸(tRNA)搬运工具在蛋白质的合成中 tRNA 按照 mRNA 传递的指令,将某一氨基酸搬运到指定的位置进行合成。tRNA 的专一性很高,一种 tRNA 只能搬运一种氨基酸。在核苷酸分子中,每三个核苷酸组成一个联体,决定着生物体内合成蛋白质中的一种氨基酸,即遗传密码。现在三联密码已全部弄清,变成明码了,见 P647 表 20-4。在多肽链的合成中,氨基酸是基本原料,mRNA 是模板, tRNA 是运载工具,rRNA是合成肽链的现场(工作台) 。合成中所需能量由 GPT(鸟苷三磷酸) 、APT(腺苷三磷酸)供应。作业:P648: 1 2, 5, 6) 。